空间飞行器大角度跟踪机动与规避控制

论文摘要

本课题以空间飞行器应对紧急事件而进行大角度机动和实现跟踪为背景,针对大角度机动控制具有非线性、强耦合及不确定性的特点,应用李亚普诺夫方法和反馈线性化的方法设计适用于不同情况的控制律,从而实现飞行器在无约束条件下的大角度姿态机动。另外,利用势函数特性构造李亚普诺夫函数,设计出规避定点的大角度姿态机动控制的控制律;通过对物理场景进行等效转换方式,验证跟踪控制律的可行性。首先,利用误差四元数建立了基于反作用飞轮的姿态机动控制模型,将姿态机动问题转化为误差四元数的调节问题,并对模型的不确定性进行了分析;同时对模型中的运算关系加以证明。其次,采用Lyapunov方法设计独立于模型的标量增益的线性控制律,从理论上分析和证明了在该控制律作用下,闭环系统是全局渐近稳定的;在Matlab环境下对不同条件和不同形式的控制律进行仿真,给出不同控制律下的性能指标,仿真结果表明了设计的控制律对模型的参数摄动和外界干扰具有很好的鲁棒性。再次,研究了基于反馈线性化方法的控制律设计方法。找到符合线性化后的系统而又与原系统平衡点等价的平衡点,设计出了新的控制律;在Matlab环境下对选取不同参数的控制律进行仿真对比,找出某些状态变量性能与选取参数的关系;比较了Lyapunov方法与反馈线性化方法,分析了各自的优缺点和适用的环境。第四,利用势函数的特性构造Lyapunov函数,设计出新的控制律,有效地解决非线性系统有定点规避的问题;通过数学仿真,对无约束与有约束且参数相同条件下的性能指标进行对比,得出两者之间的联系。最后,为了验证跟踪控制律的可行性,对物理场景进行等效转换,并将等效后的物理量作为Matlab仿真的新的输入量,进行仿真和分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 研究目的及意义
• 1.2 不确定非线性系统的控制方法简述
• 1.2.1 李亚普诺夫方法
• 1.2.2 非线性自适应控制
• 1.2.3 反馈线性化
• 1.2.4 变结构控制
• 1.3 飞行器大角度机动控制发展现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 飞行器姿态运动学与动力学描述
• 2.1 引言
• 2.2 参考坐标系
• 2.3 飞行器姿态描述
• 2.3.1 欧拉角描述法
• 2.3.2 四元数描述方法
• 2.3.3 四元数到欧拉角的转换
• 2.4 四元数描述姿态运动学方程
• 2.5 飞行器姿态动力学模型
• 2.5.1 姿态动力学方程
• 2.5.2 模型确不定性分析
• 2.6 空间干扰力矩模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于Lyapunov方法与反馈线性化方法的控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 基于误差四元数的姿态机动模型及特性分析
• 3.2.1 误差四元数描述姿态的控制模型
• 3.2.2 姿态机动控制系统模型特性分析
• 3.3 姿态机动控制系统的设计
• 3.3.1 独立模型的控制律的设计
• 3.3.2 控制系统仿真分析
• 3.4 基于反馈线性化的非线性系统控制律设计
• 3.4.1 反馈线性化系统数学描述
• 3.4.2 反馈线性化设计的仿真及分析
• 3.4.3 Lyapunov方法与反馈线性化方法对比分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 避开定点的姿态机动与跟踪控制
• 4.1 引言
• 4.2 基于势函数的李亚普诺夫函数的构造
• 4.2.1 势函数的描述
• 4.2.2 李亚普诺夫函数的构造
• 4.3 仿真与分析
• 4.4 飞行器姿态跟踪
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢